CN117928953A - 一种逆流射流控制噪声和污染物装置、燃烧器及实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于热声振动和和污染物控制技术领域，公开了一种逆流射流控制噪声和污染物装置、燃烧器及实验系统，包括逆流射流管段和逆流射流支架，逆流射流管段和逆流射流支架螺纹连接，逆流射流管段伸入燃烧器的燃烧室内，射流介质从逆流射流管段上端输入自上而下进入燃烧室，逆流射流管段下端具有半球状的射流喷头，用于消除不同燃烧室侧壁的热应力和热点分布情况；逆流射流支架上下平移既定距离的过程中同步带动逆流射流管段上下平移既定距离，实现射流喷头处于火焰不同高度位置的射流。本发明通过调节更换不同圆弧槽槽径及槽宽的管段，可以改善燃烧室火焰剪切层内外流场、反应物浓度及温度场分布，实现热声振动和污染物NOx的排放协同控制。

Description

一种逆流射流控制噪声和污染物装置、燃烧器及实验系统

技术领域

本发明属于热声振动和和污染物控制技术领域，尤其涉及一种逆流射流控制噪声和污染物装置、燃烧器及实验系统。

背景技术

热声振动现象在燃气轮机、航空发动机及油气燃烧锅炉中较为常见，热声振动现象，又称热声不稳定，它的出现与否常常可以借助瑞利准则来评定，瑞利准则描述了一个周期性的加热过程为声振荡增加能量的条件。该准则指出，当气体的压力高于或低于其平均值时，如果热量被增加或从气体中移出，周期性的传热过程就会给声场增加能量。

瑞利准则描述了什么情况下不稳定热释放会给声场增加能量，然而真正意义上的周期性自激热声振动现象的发生还需要满足另外一个条件，也就是说只有当周期性燃烧过程提供给声场的能量的速率大于声能在燃烧室内和通过其边界传播的耗散速率时，燃烧室内才会自发地周期性自激热声振动。

为了减少热声振动现象对航空发动机、燃气轮机及电厂锅炉燃烧器的破坏，常常借助改变燃烧器结构的被动控制方法来抑制热声振动现象，常见的有赫姆霍兹谐振器、声衬 、四分之一波和半波管以及挡板和其他阻尼方法，该类控制方法原理大都利用吸收阻尼结构，当声波传播经过该类结构后，可以将声能转换为摩擦内能，最终通过热和粘性作用进行耗散，从而打破声波脉动与火焰不稳定热释放脉动之间的耦合，进而控制热声振动现象。

目前热声振动大都采用霍姆赫兹谐振器、声衬、四分之一波和半波管以及挡板等传统结构进行被动控制，这些被动控制结构虽然在一定程度上抑制了热声振动现象，然而对于污染物NOx的排放研究较少，通常两者成相反趋势变化，即，热声振动与污染物NOx的排放成负相关关系，极较少研究可以实现热声振动和污染物NOx的协同控制。以横向射流方式被动控制热声振动及污染物NOx排放的研究，由于其结构简单，且易于操作，在热声领域逐渐发展起来，研究者发现射流控制热声振动通常采用空气、氮气或氢气等射流介质，利用横向垂直火焰传播方向的射流方式注入火焰根部，从而改善燃烧室内反应物浓度和温度场的分布，从而实现热声振动与污染物NOx的排放的协同控制，但其控制效果有待提高。为此，如何优化射流结构，从而更为高效的控制热声振动及污染物NOx的排放，成为了射流控制热声振动及污染物NOx排放研究领域的一大关键点。

综上可见，研究学者对于逆流射流的研究大都集中在火焰稳定方面，至于逆流射流下热声振动与污染物NOx排放的演变规律有待研究。同时，由于常规射流策略下的控制效果欠佳。为此，亟需探寻一种最佳逆流射流结构布局，从而实现热声振动与NOx的排放的控制效果最大化。

发明内容

本发明目的在于提供一种逆流射流控制噪声和污染物装置、燃烧器及实验系统，以解决上述的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的一种逆流射流控制噪声和污染物装置、燃烧器及实验系统的具体技术方案如下：

一种逆流射流控制噪声和污染物装置，包括逆流射流管段和逆流射流支架，所述逆流射流管段和逆流射流支架螺纹连接，所述逆流射流管段伸入燃烧器的燃烧室内，射流介质从逆流射流管段上端输入自上而下进入燃烧室，所述逆流射流支架用于调节逆流射流管段的高度，所述逆流射流管段下端具有半球状的射流喷头，所述射流喷头用于消除不同燃烧室侧壁的热应力和热点分布情况；所述逆流射流支架上下平移既定距离的过程中同步带动逆流射流管段上下平移既定距离，实现射流喷头处于火焰不同高度位置的射流，从而实现可调高度的射流喷头射流控制热声振动及污染物NOx的排放。

进一步的，所述射流喷头的底部圆台面上内圆周和外圆周上分别周向均匀开设有多个圆弧槽，圆台侧面上沿周向均匀开设有多个圆孔，所述圆弧槽的数量、槽径及槽宽大小依据工况设置，所述圆孔的数量、孔径大小依据工况设置。

进一步的，所述圆台面上内圆周和外圆周上分别开设三个圆弧槽，所述圆台侧面上沿周向均匀开设十二个圆孔。

进一步的，所述逆流射流支架包括底座、可调立管、横杆和主管，所述可调立管竖直固定在底座上，所述可调立管上刻有标尺，高度可调，所述横杆水平固定在可调立管顶部，所述主管竖直固定在横杆末端，所述主管上端具有弯头，所述弯头用于连接射流介质供给管路，所述主管下端与逆流射流管段上端螺纹紧密连接。

进一步的，射流介质在质量流量计调节下进入带有弯头的主管，进而进入逆流射流管段，最后穿过逆流射流管段底部的射流喷头的圆弧槽和圆孔进入燃烧室，利用质量流量计和不同槽径、槽宽及孔径的逆流射流管段，调整射流区域及射流密度，在逆流射流支架上下平移既定距离的过程中同步带动逆流射流管段上下平移既定距离，实现射流喷头处于火焰不同高度位置的射流。

进一步的，通入的射流介质采用高精度的质量流量计进行调节射流流量。

进一步的，所述逆流射流管段和逆流射流支架的主管宜采用具有耐高温、抗氧化性、耐腐蚀性的奥氏体310S铬镍不锈钢。

进一步的，所述射流介质初始温度为室温26℃，射流介质的射流压力均在0.2MPa左右。

本发明还公开了一种燃烧器，包括所述的逆流射流控制噪声和污染物装置，所述燃烧器包括进气管段、预混管段、轴向旋流器、燃烧室和排气段，进气管段、预混管段、轴向旋流器、燃烧室、排气段自下而上依次连接，甲烷与空气分别经由甲烷质量流量计和空气-浮子流量计调节后通过进气管段进入预混管段相互混合，所述预混管段内设置蜂巢板，在预混管段中混合充分的气流后续进入轴向旋流器，所述轴向旋流器出口处具有缩口加速管段，所述缩口加速管段口径由下往上逐渐减小，所述缩口加速管段中心固定有稳焰钝体。

本发明还公开了一种燃烧器的实验系统，所述系统包括高速相机、烟气分析仪、动态压力传感器、多通道数字采集卡和计算机，所述燃烧室处设置石英玻璃窗口，所述石英玻璃窗口上开设有圆柱形小孔，所述小孔上安放动态压力传感器，所述动态压力传感器连接多通道数字采集卡，所述多通道数字采集卡连接计算机，从而测量火焰振荡频率及幅值变化，所述高速相机用于采集动态火焰形态变化，所述烟气分析仪带有冷凝结构，用于测量排气段排出的污染物NOx的实时变化。

本发明的一种逆流射流控制噪声和污染物装置、燃烧器及实验系统具有以下优点：本发明的一种逆流射流控制噪声和污染物装置，相比以往横向垂直火焰传播方向的射流方式，首次采用可调高度逆流圆弧槽射流方式，它的使用与现实燃机系统进气操作流程相吻合，即，由上往下倒灌进气或射流的方式，由此，将大幅缩减改造燃烧器结构带来的成本，可以在常用航空发动机中大范围推广使用。

上述可调高度逆流圆弧槽射流装置中，通过高精度的质量流量计控制射流介质按照规定体积流量注入燃烧室，同时，通过调节更换不同圆弧槽槽径及槽宽的逆流射流管段，可以改善燃烧室火焰剪切层内外流场、 反应物浓度及温度场分布。在逆流射流支架上下平移既定距离的过程中可同步带动逆流射流管段上下平移既定距离，实现射流喷头处于火焰不同高度位置的射流。

经过上述操作流程后，可调高度逆流圆弧槽射流可以实现热声振动和污染物NOx的排放协同控制。

附图说明

图1为本发明的可伸缩圆弧槽型逆流射流控制噪声和污染物装置结构示意图；

图2为本发明的逆流射流管段结构示意图；

图3为带有可伸缩圆弧槽型逆流射流控制噪声和污染物装置的燃烧器实验系统结构示意图；

图中：1、进气管段；2、蜂巢板；3、预混管段；4、轴向旋流器；5、缩口加速管段；6、钝体；7、石英玻璃窗口；8、逆流射流管段；81、射流喷头；811、圆弧槽；812、圆孔；9、逆流射流支架；91、底座；92、可调立管；93、横杆；94、主管；941、弯头；10、排气段；11、燃烧室。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种可伸缩圆弧槽型逆流射流控制噪声和污染物装置做进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的一种逆流射流控制噪声和污染物装置，包括逆流射流管段8和逆流射流支架9，逆流射流管段8和逆流射流支架9螺纹连接，逆流射流管段8伸入燃烧器的燃烧室内，射流介质从逆流射流管段8上端输入自上而下进入燃烧室。逆流射流支架9用于调节逆流射流管段8的高度。

如图2所示，逆流射流管段8为圆柱形，下端具有半球状的射流喷头81，射流喷头81的底部圆台面上内圆周和外圆周上分别周向均匀开设有多个圆弧槽811，圆弧槽811的数量、槽径及槽宽大小依据工况设置，同时，在圆台侧面上沿周向均匀开设有多个圆孔812，圆孔812的数量、孔径大小依据工况设置。优选的，圆台面上内圆周和外圆周上分别开设三个圆弧槽811，圆台侧面上沿周向均匀开设十二个圆孔812。圆弧槽811和圆孔812用于消除不同燃烧室侧壁的热应力和热点分布情况。

逆流射流管段8上端中心部位开有M12x1.75的内螺纹，用于与逆流射流支架9螺纹连接。

逆流射流支架9包括底座91、可调立管92、横杆93和主管94，可调立管92竖直固定在底座91上，可调立管92上刻有0-100mm的标尺，高度可调，横杆93水平固定在可调立管92顶部，主管94竖直固定在横杆93末端，主管94上端具有弯头941，弯头941用于连接射流介质供给管路，主管94下端外壁面开有的M12x1.75外螺纹，逆流射流管段8上端的内螺纹与主管94下端的外螺纹紧密连接，防止射流过程泄露射流介质，具有良好密封特性。

射流介质Air、CO2、N2或Ar在质量流量计（图中未示出）调节下进入带有弯头941的主管94，进而进入逆流射流管段8，最后穿过逆流射流管段8底部的射流喷头81的圆弧槽811和圆孔812进入燃烧室，利用质量流量计和不同槽径、槽宽及孔径的逆流射流管段8，可调整射流区域及射流密度，同时，射流喷头81结构的使用，较以往单孔射流方式影响范围更加广泛而均匀，在这过程中，将改变火焰剪切层内外流场结构、反应物浓度及温度场分布，打破声波脉动与火焰热释放脉动之间的耦合，最终实现热声振动及污染物NOx排放的控制。在逆流射流支架9上下平移既定距离的过程中可同步带动逆流射流管段8上下平移既定距离，实现射流喷头81处于火焰不同高度位置的射流。

优选的，通入的射流介质Air、CO2、N2或Ar宜采用高精度的质量流量计进行调节射流流量，防止由于射流流量抖动而带来的火焰熄火及脱火现象。

优选的，逆流射流管段8和逆流射流支架9的主管94宜采用具有耐高温、抗氧化性、耐腐蚀性的奥氏体310S铬镍不锈钢。

优选的，射流介质初始温度为室温26℃，射流介质Air、CO2、N2或Ar的射流压力均在0.2MPa左右。

如图3所示，一种带有可伸缩圆弧槽型逆流射流控制噪声和污染物装置的燃烧器实验系统包括本发明的可伸缩圆弧槽型逆流射流控制噪声和污染物装置、燃烧器、高速相机、烟气分析仪、动态压力传感器、多通道数字采集卡和计算机。

燃烧器包括进气管段1、预混管段3、轴向旋流器4、燃烧室11和排气段10，进气管段1、预混管段3、轴向旋流器4、燃烧室11、排气段10自下而上依次连接。甲烷与空气分别经由甲烷质量流量计和空气-浮子流量计调节后通过进气管段1进入预混管段3相互混合，为了使得反应物混合均匀，在预混管段3内设置蜂巢板2。在预混管段3中混合充分的气流后续进入轴向旋流器4，由于轴向旋流器4上的旋流叶片作用，使得燃烧室内火焰锢锚区中心位置产生低压回流区，有利于高温烟气回流引燃未燃反应物，从而稳定火焰的燃烧。同时，为了防止轴向旋流器4后的气流轴向流速较低所引起火焰回火现象，在轴向旋流器4出口处设计缩口加速管段5，缩口加速管段5口径由下往上逐渐减小，以使气流顺利加速喷出进入燃烧室11参与燃烧，此外，为了防止火焰脱火及回火现象，在缩口加速管段5中心固定有稳焰钝体6。

反应物在经过进气管段1、蜂巢板2、预混管段3、轴向旋流器4、缩口加速管段5和稳焰钝体6后，最后在燃烧室11中能够产生持久稳定燃烧的预混火焰。现有技术中，为了控制污染物NOx的排放，通常采用贫预混燃烧技术，如此以来，虽然能降低污染物NOx的排放，但在另一层面上将引发热声振动现象，因此，本发明通过可伸缩圆弧槽型逆流射流控制噪声和污染物装置实现热声振动和污染物NOx的排放协同控制：调节逆流射流支架9的高度，将逆流射流管段8伸入燃烧室11，将高精度的质量流量计连接射流介质供给管路，射流介质供给管路连接逆流射流支架9的弯头941，射流介质Air、CO2、N2或Ar可通过高精度的质量流量计调节按照规定大小体积流量进入逆流射流支架9的主管94，进而进入逆流射流管段8，最后穿过射流喷头81进入燃烧室11，改变火焰剪切层内外流场结构、反应物浓度及温度场分布，打破声波脉动与火焰热释放脉动之间的耦合，最终实现热声振动及污染物NOx排放的控制。

为了表征上述可调高度逆流圆弧槽射流控制热声振动和污染物NOx的排放效果，在燃烧室11处设置了石英玻璃窗口7，石英玻璃窗口7上开设有圆柱形小孔，可安放动态压力传感器，动态压力传感器连接多通道数字采集卡，多通道数字采集卡连接计算机，从而测量火焰振荡频率及幅值变化，同时，可通过高速相机采集动态火焰形态变化，最后，燃烧完的高温烟气可通过排气段10连接带有冷凝结构的烟气分析仪测量污染物NOx的实时变化。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种逆流射流控制噪声和污染物装置，包括逆流射流管段（8）和逆流射流支架（9），所述逆流射流管段（8）和逆流射流支架（9）螺纹连接，所述逆流射流管段（8）伸入燃烧器的燃烧室（11）内，射流介质从逆流射流管段（8）上端输入自上而下进入燃烧室（11），所述逆流射流支架（9）用于调节逆流射流管段（8）的高度，其特征在于，所述逆流射流管段（8）下端具有半球状的射流喷头（81），所述射流喷头（81）用于消除不同燃烧室（11）侧壁的热应力和热点分布情况；所述逆流射流支架（9）上下平移既定距离的过程中同步带动逆流射流管段（8）上下平移既定距离，实现射流喷头（81）处于火焰不同高度位置的射流，从而实现可调高度的射流喷头（81）射流控制热声振动及污染物NOx的排放。

2.根据权利要求1所述的逆流射流控制噪声和污染物装置，其特征在于，所述射流喷头（81）的底部圆台面上内圆周和外圆周上分别周向均匀开设有多个圆弧槽（811），圆台侧面上沿周向均匀开设有多个圆孔（812），所述圆弧槽（811）的数量、槽径及槽宽大小依据工况设置，所述圆孔（812）的数量、孔径大小依据工况设置。

3.根据权利要求2所述的逆流射流控制噪声和污染物装置，其特征在于，所述圆台面上内圆周和外圆周上分别开设三个圆弧槽（811），所述圆台侧面上沿周向均匀开设十二个圆孔（812）。

4.根据权利要求1所述的逆流射流控制噪声和污染物装置，其特征在于，所述逆流射流支架（9）包括底座（91）、可调立管（92）、横杆（93）和主管（94），所述可调立管（92）竖直固定在底座（91）上，所述可调立管（92）上刻有标尺，高度可调，所述横杆（93）水平固定在可调立管（92）顶部，所述主管（94）竖直固定在横杆（93）末端，所述主管（94）上端具有弯头（941），所述弯头（941）用于连接射流介质供给管路，所述主管（94）下端与逆流射流管段（8）上端螺纹紧密连接。

5.根据权利要求2所述的逆流射流控制噪声和污染物装置，其特征在于，射流介质在质量流量计调节下进入带有弯头（941）的主管（94），进而进入逆流射流管段（8），最后穿过逆流射流管段（8）底部的射流喷头（81）的圆弧槽（811）和圆孔（812）进入燃烧室（11），利用质量流量计和不同槽径、槽宽及孔径的逆流射流管段（8），调整射流区域及射流密度，在逆流射流支架（9）上下平移既定距离的过程中同步带动逆流射流管段（8）上下平移既定距离，实现射流喷头（81）处于火焰不同高度位置的射流。

6.根据权利要求5所述的逆流射流控制噪声和污染物装置，其特征在于，通入的射流介质采用高精度的质量流量计进行调节射流流量。

7.根据权利要求4所述的逆流射流控制噪声和污染物装置，其特征在于，所述逆流射流管段（8）和逆流射流支架（9）的主管（94）宜采用具有耐高温、抗氧化性、耐腐蚀性的奥氏体310S铬镍不锈钢。

8.根据权利要求5所述的逆流射流控制噪声和污染物装置，其特征在于，所述射流介质初始温度为室温26℃，射流介质的射流压力均在0.2MPa左右。

9.一种燃烧器，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的逆流射流控制噪声和污染物装置，所述燃烧器包括进气管段（1）、预混管段（3）、轴向旋流器（4）、燃烧室（11）和排气段（10），进气管段（1）、预混管段（3）、轴向旋流器（4）、燃烧室（11）、排气段（10）自下而上依次连接，甲烷与空气分别经由甲烷质量流量计和空气-浮子流量计调节后通过进气管段（1）进入预混管段（3）相互混合，所述预混管段（3）内设置蜂巢板（2），在预混管段（3）中混合充分的气流后续进入轴向旋流器（4），所述轴向旋流器（4）出口处具有缩口加速管段（5），所述缩口加速管段（5）口径由下往上逐渐减小，所述缩口加速管段（5）中心固定有稳焰钝体（6）。

10.一种如权利要求9所述的燃烧器的实验系统，其特征在于，所述系统包括高速相机、烟气分析仪、动态压力传感器、多通道数字采集卡和计算机，所述燃烧室（11）处设置石英玻璃窗口（7），所述石英玻璃窗口（7）上开设有圆柱形小孔，所述小孔上安放动态压力传感器，所述动态压力传感器连接多通道数字采集卡，所述多通道数字采集卡连接计算机，从而测量火焰振荡频率及幅值变化，所述高速相机用于采集动态火焰形态变化，所述烟气分析仪带有冷凝结构，用于测量排气段（10）排出的污染物NOx的实时变化。